一種汽車自動化排氣控制產品的技術研究

郝健

摘 要：隨著機械科學技術的不斷發展，經濟水平的不斷提高，人們出行的交通工具也得到了飛速發展。該文研究了一種汽車自動化排氣控制產品，從流體控制方面入手，改善汽車排氣性能。該文提供一種改善設計技術，可以以此來提高產品性能。

關鍵詞：汽車；自動化；排氣；流體控制

中圖分類號：TH13 文獻標志碼：A

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，經濟水平的不斷提高，人們出行的交通工具也得到了飛速發展。其中汽車工業的發展也突飛猛進，世界的汽車銷售數量超過9千萬，中國的汽車銷售量接近3千萬輛，位居全球汽車銷售量前列。然而人們對汽車的舒適性能與動力性能要求也越來越高，此外，國家對汽車的排放要求也越來越高，使汽車與發動機以及排氣系統技術不斷發展。該文研究了一種汽車自動化排氣控制產品，從流體控制方面入手，改善汽車排氣性能。越來越多的消費者以及工程設計制造廠商開始研究可變閥門排氣技術，許多改裝排氣產品供應商都提供這種產品。這種可變閥門排氣產品，巧妙地結合了直通排氣與回壓排氣的優點。在尾管部位安裝控制閥門，使駕駛者在駕駛時，自主切換成配合慢速運行的回壓排氣方式，產生較低聲響；或者切換成配合發動機快速運行的直通排氣方式，產生激昂澎湃的聲浪。該文所研究的可變閥門排氣控制產品中，直接執行控制排放氣體的流體控制產品為蝶閥。

1 汽車排氣控制系統

汽車發動機包括柴油發動機、汽油發動機、天燃氣發動機等，它們都為汽車的行駛提供動力。而這些傳統的發動機在燃料轉化能量的過程中，燃料的燃燒會產生一些需要排除的氣體，因而涉及排氣問題。如圖1所示，排氣歧管是與發動機相連的，匯聚發動機排出來的氣體，通入排氣總管中。廢氣進入催化器，經過消聲器消聲，再經排氣管流通，最后再由消聲器處理，通過尾管排到空氣中。一般的排氣系統由排氣歧管、催化器、消聲器、排氣管、尾管等部件組成，如圖1所示。

2 汽車排氣控制產品設計

該文研究的排氣控制產品是一種位于汽車尾管部件中的重要元件—排氣蝶閥，它所處的工況比較特殊，區別于一般的排氣閥。發動機在汽車運行的過程中，產生出燃燒過的廢氣，排氣性能對發動機的性能有著一定的影響。而排氣系統的末端處理也尤為重要。尾氣部位的環境，廢氣溫度比較高，不同于一般的流體介質。使用排氣閥一方面可以對發動機性能起到積極作用，另一方面可以產生比較良好動力聽覺效果，受到很多使用者的歡迎。

2.1 傳統的排氣方式優劣分析

2.1.1 回壓排氣的優劣

傳統的排氣方式主要有2種：一是，回壓排氣；二是，直通排氣。首先分析回壓排氣的特點。汽車發動機在運行時，其中的氣缸排放出的氣體以脈沖的方式有序排出，經過排氣歧管匯合到一根總的排氣管路中。然后，在排氣管中產生陣陣的氣浪，有序地從管路中排放出去。 回壓排氣的方式，在發動機低速運行時與其配合使用的排氣管路，使發動機排出氣體的噪聲較小。不足之處，發動機高速運行時，排氣性能將會受到影響，不能更好地發揮發動機功率。

2.1.2 直通排氣的優劣

直通排氣設計結構原理與回壓排氣設計結構原理的出發點相反。更多的是配合發動機高速運轉時的排氣需要。設計思路為加粗通氣管道及減少管道的彎曲部位，并去除掉排氣的尾端部分，這樣一來，廢氣可以更加迅速地排出通氣管道，以達到高效排放氣體的目標。直通排氣的優劣，簡而言之其優點在于具有較高的排放廢氣能力，較好的高轉速動力輸出；不足點在于忽略了發動機低速運行的排氣回壓需求，且直通的管道結構使得排放氣體的聲音較大。

2.2 可變閥門排氣系統

越來越多汽車改裝排氣產品制造商運用這種產品，可變閥門排氣控制技術受到了許多工程技術人員與消費者的歡迎。該文研究的可變閥門排氣技術，整合了直通排氣技術與回壓排氣技術的特點，巧妙地將控制蝶閥安裝在尾管部位，駕駛時，可以采取直通排氣方式，使排氣管道處產生激昂澎湃的聲浪；或者自行采取相配合的回壓排氣方式，使排氣管道處產生較低的聲音；排氣蝶閥啟閉件關閉時，排氣產品管線中較粗的直通排氣管道基本上沒發揮作用，整個系統相似于回壓排氣；排氣蝶閥啟閉件開啟時，排氣產品管線中較粗的排氣管發揮其作用。相對較多的管線使得排氣能力更強，并且澎湃聲浪也可以隨之產生。

氣動控制閥門排氣系統由真空泵、連接器、執行機構、閥體、閥桿、閥板、信號控制模塊等零部件組成，如圖2所示。真空泵在信號控制模塊的指令輸入下，經過執行機構，帶動閥板啟閉件的開關控制排放氣體。

2.3 排氣蝶閥設計

該文研究的可變閥門排氣控制系統中，直接執行控制排放氣體的元件為排氣蝶閥。排氣蝶閥的設計與常規蝶閥的設計存在的共同點，即滿足流量控制要求，不同點就是其所處的工況相對惡劣。存在火焰高溫，煙氣排放，一般的橡膠軟密封形式的蝶閥不能在這里使用。蝶閥的啟閉密封，采用金屬密封形式。蝶閥的設計計算主要涉及閥體、閥軸、閥板啟閉件。閥體的設計計算主要是最小壁厚的估算，算法（1）中p為工況壓力，σL為材質的許用壓力，D為碟板的通徑，C為附加的裕量。而閥門為通用件，其蝶閥閥體結構形式可以借鑒業已成型的類似產品。

蝶閥閥軸或閥桿是重要的傳動零件，蝶閥是角行程控制閥門，其運行過程主要受扭轉力或力矩的驅使。其計算算法主要是考慮閥桿的扭應力，閥桿的力矩估算。W代表斷面系數值，τN是許可應力值， ∑M是累計的扭矩值，τ為閥桿所受到的扭應力。

閥板的最小厚度計算，考慮流體錘擊壓力p'，材質的許用應力σL，D蝶閥的通徑，C為附加的裕量，b為碟板的厚度。算法（1）（2）（3）用于估算排氣蝶閥中的關鍵尺寸與結構強度校核。顯而易見，排氣系統的關鍵部件是排氣蝶閥，而排氣蝶閥的關鍵零件便是蝶板啟閉件，它直接控制排氣并與氣體發生直接接觸。

3 排氣啟閉件結構有限元分析

對于排氣啟閉件，根據相關文獻的研究數據，這里設計一款啟閉件。汽車排氣系統中，在進行啟閉件選材和計算分析時，需要考慮溫度的影響及啟閉件屈服的情況。根據某微型車排氣系統流場數值模擬情況推斷，尾端排氣閥門中氣體溫度不超過477℃，制造閥板的304鑄鋼材質許用應力不超過500 ℃的53.3 MPa，廢氣的背壓最大值為38.6 kPa 。

3.1 前處理

幾何設計草圖尺寸如圖3所示，通過三維軟件建模，選擇靜力學分析模塊，然后導入ANSYS的幾何處理模塊之中進行劃分網格，材質選擇系統自帶的不銹鋼材質（Stainless Steel）。網格劃分為57 132節點，32 029個四面體網格單元。

3.2 結果分析

從ANSYS靜力學等效應力分析云圖中可以看出，應力較大值分布在中間區域。較小值分布在閥板沿閥桿對稱兩側區域，而中間突出的圓柱應力也較小，這是因為加厚的圓柱面與拱形結構支撐抵消補償了部分應力。這里的最大值在閥板圓柱與蝶板結合交界處；最小值位于閥板圓柱端面區域，如圖4所示。經過分析比較，在理論上，該閥板的最危險工況下的等效應力，滿足500℃溫度鑄鋼304的許用應力要求。

4 結語

近年來，國家與消費者對汽車排放的要求越來越高，不但對廢氣排放有要求對噪聲也要求。這些因素催使汽車與發動機以及排氣系統技術不斷發展。該文研究一種汽車自動化排氣控制產品，從流體控制方面入手，改善汽車排氣性能，為進一步進行產品開發提供了一定的理論基礎。下面重點從以下的幾個方面進行的闡述：

（1）分析傳統汽車排氣系統的基本原理，比較其優缺點，結合傳統回壓排氣與直通排氣的優點，引述可變閥門排氣系統產品。

（2）闡述2種可變閥門排氣系統的組成部分，分析其廢氣排放與聲浪運行切換方式。

（3）提出一種排氣蝶閥啟閉件結構設計，并用計算機有限元分析核算其強度，得出了理想的結果。

參考文獻

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